黃河三角洲工程防護(hù)區(qū)海床侵蝕過(guò)程與不穩(wěn)定性評(píng)估

凡姚申,陳沈良,竇身堂,于守兵,杜小康

(1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州450003；2.水利部 黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州450003；3.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200241)

受氣候變化和人類活動(dòng)的影響,海岸侵蝕已是一個(gè)世界性的問(wèn)題,特別是大河三角洲的海岸侵蝕尤為引人關(guān)注,如埃及的尼羅河三角洲[1-3]、越南的湄公河三角洲[4-5]、中國(guó)的黃河三角洲[6-7]。中國(guó)河口三角洲地區(qū)的海岸侵蝕在不斷加劇[8],如灤河三角洲、黃河三角洲、廢黃河三角洲、長(zhǎng)江口南岸都表現(xiàn)較高的侵蝕速率。近年來(lái),大規(guī)模海岸圍墾建堤,致使人工岸線不斷增加[9],岸線被固定,堤前海床下蝕成為主要的海岸侵蝕形式。

黃河三角洲屬于弱潮河控型三角洲,其由高輸沙能力的河流注入弱潮動(dòng)力環(huán)境海域所形成,曾是世界上堆積速率最快、演變最劇烈的大河三角洲。近年來(lái),受流域氣候變化和人類活動(dòng)的影響,黃河入海水沙持續(xù)減少,呈現(xiàn)枯水少沙情勢(shì),三角洲呈整體蝕退態(tài)勢(shì)。東營(yíng)港—孤東海岸是黃河三角洲沿岸的工程防護(hù)區(qū),受孤東大堤和東營(yíng)港海堤的防護(hù),該區(qū)域的海岸線處于固定狀態(tài),但堤外海床侵蝕強(qiáng)烈,大量海堤、護(hù)岸、灘海路堤等海岸工程建筑物基礎(chǔ)受到?jīng)_刷毀壞,嚴(yán)重威脅到油田和海港安全。

目前黃河三角洲海岸侵蝕防護(hù)問(wèn)題已成為諸多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。以往對(duì)于黃河口區(qū)沖淤演變研究較多,但對(duì)于工程防護(hù)區(qū)海床長(zhǎng)時(shí)間尺度侵蝕過(guò)程研究較少,從而對(duì)堤前海床穩(wěn)定性狀況缺乏整體認(rèn)識(shí)。鑒此,本文基于多次實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)和波浪資料,評(píng)估黃河三角洲工程防護(hù)區(qū)海床侵蝕不穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì),為新情勢(shì)下黃河三角洲綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲是1855年黃河在河南蘭考銅瓦廂決口,奪魯北大清河回歸渤海以來(lái),發(fā)育形成的以山東墾利寧海為頂點(diǎn),西起套爾河口南至支脈溝口,向海延伸至15～20 m等深線的扇形堆積體(圖1)。黃河來(lái)沙量大,入海流路長(zhǎng)期處于淤積、延伸、出汊、擺動(dòng)、改道的頻繁變化過(guò)程。1855年以來(lái),黃河入海流路經(jīng)歷了11次大的流路改道與50余次出汊過(guò)程,并受海洋動(dòng)力的改造和人為工程的影響,形成了目前的三角洲形態(tài)。

黃河口清水溝流路自1976年在西河口附近經(jīng)人工改道后開(kāi)始行河,改道初期(1976-06—1979-09)河道處于游蕩散亂多股狀,入?？谠诂F(xiàn)在的孤東油田陸上核心區(qū),孤東“錘形”沙嘴也主要在這個(gè)階段淤積造陸形成(圖2)。1980年后入海流路南遷,并逐漸自上而下歸股穩(wěn)定,尤其是1992年后,擺動(dòng)幅度更趨微弱,孤東海域南部的清水溝三角洲葉瓣逐漸形成發(fā)育(圖2)。隨著黃河入?？谥饾u南偏,入海泥沙輸運(yùn)擴(kuò)散至孤東海域的量急劇減少,致使孤東海域成為嚴(yán)重的侵蝕區(qū)。為了保證孤東油田的安全生產(chǎn),1985年開(kāi)始修建孤東大堤,1987年全面竣工,大堤全長(zhǎng)17.2 k m,呈西北—東南走向。20世紀(jì)90年代,隨著東營(yíng)港的投入使用,海港及其附近海岸修筑了北起樁106(Z106,位置見(jiàn)圖1)南至神仙溝口的人工海堤,與孤東大堤共同構(gòu)成了約50 k m的黃河三角洲工程防護(hù)區(qū)海岸(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

圖2 1976—1996年入海流路擺動(dòng)過(guò)程Fig.2 Swing process of t he part h flowing into the sea fro m 1976 to 1996

2 數(shù)據(jù)處理

為定量分析海床侵蝕過(guò)程,收集了1992年、2000年、2007年和2015年的黃河三角洲近岸海域水下地形測(cè)量數(shù)據(jù),水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一為黃海基準(zhǔn)面。使用Matlab中的IDW(Inverse Distance Weighted)插值程序?qū)⑺钌Ⅻc(diǎn)插值到分辨率為30 m×30 m的網(wǎng)格上生成數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)?；诟髂攴莸腄EM,建立水下地形地貌空間數(shù)據(jù)庫(kù),不同年份的DEM相減即可計(jì)算沖淤量。由于這些優(yōu)點(diǎn),世界上其他河口三角洲地區(qū)的沖淤演變研究也廣泛采用此種空間地貌處理方法[11-13]。

3 工程防護(hù)區(qū)海床侵蝕特征

3.1 海床侵蝕時(shí)空格局

工程防護(hù)區(qū)海岸形態(tài)受控于大堤,基本呈東南—西北走向,岸線較平直,Z106到北汊溝口的連線也呈東南—西北走向,大致與實(shí)際海岸平行,可作為等效岸線來(lái)分析等深線距岸的距離。為分析海床侵蝕時(shí)空格局,分別建立距等效岸線5,8,10,15和20 k m的緩沖區(qū)(圖3),計(jì)算不同緩沖區(qū)內(nèi)1992—2000年,2000—2007年和2007—2015年三個(gè)時(shí)段海床的沖淤變化(表1),進(jìn)而定量分析侵蝕過(guò)程。

圖3 1992—2015年?yáng)|營(yíng)港—孤東海岸近岸海床沖淤分布Fig.3 Distribution of er osion and accretion of t he nearshore seabed along t he Dongying Port-Gudong Coast fro m 1992 to 2015

在3個(gè)時(shí)段中,1992—2000年距岸20 k m區(qū)域內(nèi)海床侵蝕量略大于2007—2015年,其他區(qū)域侵蝕量和侵蝕速率都明顯小于其他2個(gè)時(shí)段；2000—2007年侵蝕最劇烈,該時(shí)段距岸5 k m區(qū)域內(nèi)侵蝕量小于2007—2015年,其他區(qū)域侵蝕量和侵蝕速率都大于其他2個(gè)時(shí)段。

同一時(shí)段不同區(qū)域沖淤差異明顯。1)1992—2000年距岸5 k m區(qū)域內(nèi)凈淤積,平均淤積速率6.75 c m/a,而距岸8 k m區(qū)域內(nèi)(包括5 k m以內(nèi),下同)凈侵蝕,且侵蝕量明顯大于其他區(qū)域,達(dá)52.74 k m3,侵蝕速率達(dá)33.6 k m/a,可見(jiàn)該時(shí)段的侵蝕主體位于距岸5～8 k m的區(qū)域內(nèi)。2)2000—2007年距岸5,8和10 k m區(qū)域內(nèi)侵蝕速率逐次增加,最大達(dá)20.90 c m/a,這說(shuō)明在距岸10 k m區(qū)域內(nèi),越遠(yuǎn)離岸泥沙侵蝕量越多。而距岸15 k m區(qū)域內(nèi)雖然也表現(xiàn)為凈侵蝕,但侵蝕速率小于距岸10 k m區(qū)域內(nèi),減小的侵蝕速率說(shuō)明距岸10 k m區(qū)域外海床雖以侵蝕為主,但也有泥沙沉積,只是泥沙沉積量小于侵蝕量。同樣,距岸20 k m區(qū)域內(nèi)侵蝕速率小于距岸15 k m區(qū)域內(nèi)的侵蝕速率,這也說(shuō)明該15 k m區(qū)域外的海床有泥沙沉積。由此可知,該時(shí)段距岸10 k m以內(nèi)是侵蝕主體區(qū)域,而10 k m以外有泥沙沉積。3)2007—2015年距岸5和8 k m區(qū)域內(nèi)侵蝕速率逐次增加,最大達(dá)15.54 c m/a,而距岸10 k m區(qū)域內(nèi)雖然也表現(xiàn)為凈侵蝕,但侵蝕速率小于距岸8 k m區(qū)域內(nèi),同樣,距岸15和20 k m區(qū)域內(nèi)侵蝕速率也依次減小,由此可知,該時(shí)段距岸8 k m以內(nèi)是侵蝕主體區(qū)域,而8 k m以外出現(xiàn)泥沙沉積。

表1 東營(yíng)港—孤東海床沖淤計(jì)算Table 1 Calculations of erosion and accretion of the seabed along the Dongying Port-Gudong coast

同一區(qū)域不同時(shí)段沖淤差異明顯。1)距岸5 k m區(qū)域內(nèi),1992—2000年表現(xiàn)為凈淤積,年淤積速率為6.75 c m/a,而2000年后的2個(gè)時(shí)段,該區(qū)域海床侵蝕明顯,且侵蝕速率從2000—2007年的5.37 c m/a,增加到2007—2015年的8.82 c m/a,這說(shuō)明大堤堤前侵蝕越來(lái)越嚴(yán)重。2)距岸10 k m區(qū)域內(nèi),2000—2007年和2007—2015年兩個(gè)時(shí)段的侵蝕速率相差不大,分別為16.03和15.54 c m/a,在2000—2007年該區(qū)域海床侵蝕主要出現(xiàn)在孤東南大堤外,而在2007—2015年該區(qū)域海床侵蝕主要出現(xiàn)在海港大堤外。

3.2 孤東南大堤海床形態(tài)

1992—2000 年內(nèi)侵蝕主體在距岸5～8 k m區(qū)域內(nèi),堤前(距岸5 k m區(qū)域內(nèi))以淤積為主；2000—2007年海床侵蝕明顯,距岸10 k m區(qū)域內(nèi)都表現(xiàn)強(qiáng)烈的侵蝕；2007—2015年距岸8 k m區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)強(qiáng)烈侵蝕,且堤前較上一時(shí)段侵蝕量增大,海床侵蝕向岸加劇。這種侵蝕發(fā)展過(guò)程也影響著黃河水下三角洲的地貌格局。2007年黃河入海流路向北分汊后,隨著現(xiàn)行河口沙嘴的向北淤積延伸,逐漸延伸到孤東南大堤外的深水區(qū),而孤東南大堤堤前淺水區(qū)不斷侵蝕,逐漸形成了南大堤外“近岸區(qū)深,遠(yuǎn)岸區(qū)淺”的反剖面形態(tài)。選擇南大堤外一條垂直于大堤走向的21號(hào)水深斷面,可以清晰地看出反剖面形態(tài)的演變過(guò)程。由圖4可知,2007年該斷面水深隨離岸距離增大而增大的正常形態(tài)；隨著河口沙嘴和攔門(mén)沙向北延伸,距起點(diǎn)25～30 k m處海床不斷淤積,而近岸堤前不斷侵蝕,2014年已經(jīng)出現(xiàn)反剖面形態(tài),即遠(yuǎn)岸區(qū)水深反而小于堤前近岸區(qū)水深,至2016年這種形態(tài)還在持續(xù)發(fā)展。

圖4 孤東南大堤外的反剖面形態(tài)及其發(fā)展過(guò)程Fig.4 The for m of the reverse profile and its developing process in the offshore area of the southern Gudong dike

4 堤前海床不穩(wěn)定性評(píng)估

4.1 評(píng)估方法

海堤對(duì)其內(nèi)側(cè)陸域起到防護(hù)作用,而堤前的海床往往處于侵蝕不穩(wěn)定狀態(tài)。在各種不確定性因素下,近岸海床等深線變化可反映海堤及堤前海床的穩(wěn)定性[14],可基于海床等深線對(duì)其進(jìn)行不穩(wěn)定性評(píng)估。考慮到研究區(qū)近岸海床侵蝕主要發(fā)生在距岸10 k m區(qū)域內(nèi),選取歷年2,5,和10 m等深線,對(duì)2000—2015年近岸海床不穩(wěn)定性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。首先計(jì)算“點(diǎn)”層面的不穩(wěn)定性指數(shù):基于Arc GIS-DSAS技術(shù),建立垂直于等效岸線(參考線)的斷面；計(jì)算每條等深線與參考線間斷面長(zhǎng)度,作為等深線距岸的距離(L)；再根據(jù)波浪作用床面的臨界水深對(duì)2,5和10 m等深線賦權(quán)重值(Q),3條等深線L與Q乘積的加和即為“點(diǎn)”層面的不穩(wěn)定指數(shù)(Isi)。最后將各交點(diǎn)不穩(wěn)定指數(shù)分級(jí),相同級(jí)別的交點(diǎn)連線,得到近岸“線”層面的不穩(wěn)定級(jí)別。不穩(wěn)定指數(shù)的計(jì)算公式:

式中:Q為各等深線權(quán)重值,下標(biāo)表示相應(yīng)的等深線。

等深線離岸越近對(duì)海堤穩(wěn)定性的指示意義越大,距岸距離的系數(shù)Q可依據(jù)波浪在不同水深范圍內(nèi)的破碎、擾動(dòng)頻率來(lái)確定。波浪的破碎深度可以波高的1.28倍計(jì)算。波浪的擾動(dòng)深度可視作波浪作用下的海床泥沙全面移動(dòng)的臨界水深,可根據(jù)佐藤公式計(jì)算[15-16]:

式中:Ho和Lo分別為深水波高和波長(zhǎng)；Hc和Lc為當(dāng)?shù)氐牟ǜ吆筒ㄩL(zhǎng)；hc為臨界水深；D50為泥沙中值粒徑。計(jì)算時(shí),Ho可消去,Lo和Lc可根據(jù)Airy線性波理論分別表示[17]:

式中:To和Tc分別為深水波周期和hc當(dāng)?shù)氐牟ㄖ芷?；g為重力加速度。研究區(qū)海域開(kāi)闊,近岸風(fēng)場(chǎng)受深水區(qū)風(fēng)區(qū)控制,風(fēng)速可視作基本相同,即Tc≈To,代入式(4)后,再與式(3)一起代入式(1),經(jīng)整理后可得臨界水深hc的計(jì)算公式:

根據(jù)觀測(cè)波浪資料,可知工防護(hù)區(qū)近岸海域各級(jí)波浪的破碎深度、擾動(dòng)深度；各級(jí)波浪出現(xiàn)的頻率計(jì)算得破碎頻率和擾動(dòng)頻率(表2)。由此可知,波浪破碎和擾動(dòng)頻率隨水深增大而減少,波高為0.6 m的波浪能移動(dòng)1.38 m以淺的海床泥沙全面移動(dòng),2.05 m以淺的近岸海床泥沙全部擾動(dòng)需要波高為0.8 m的波浪。根據(jù)擾動(dòng)頻率的平均值,可求得0～2.05 m范圍內(nèi)的海床擾動(dòng)頻率為64.18%,相應(yīng)地可求得2.05～5.86 m范圍內(nèi)的海床擾動(dòng)頻率為29.04%,5.86～9.51 m內(nèi)的海床擾動(dòng)頻率為9.08%。這3個(gè)水深范圍,十分接近2,5,和10 m等深線劃分的海床區(qū)域。因此,歸一化3個(gè)水深范圍內(nèi)的擾動(dòng)頻率得到2,5和10 m等深線權(quán)重系數(shù)分別為63%,28%和9%。

表2 工程防護(hù)區(qū)近岸海域各級(jí)波浪的破碎深度、擾動(dòng)深度及其相應(yīng)的頻率Table 2 Wave breaking depth,disturbing depth and their corresponding frequency in t he nearshore area of the engineering protection zone

4.2 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上述方法,計(jì)算得到“點(diǎn)”層面的Isi集中分布在1.01～1.76范圍內(nèi)。按四分位分級(jí)原則,將Isi≤1.2的點(diǎn)連線,得到“線”層面的不穩(wěn)定結(jié)果,并將其分級(jí)為弱不穩(wěn)定型堤前海床；相應(yīng)地,將1.2＜Isi≤1.4的點(diǎn)連線,劃分為一般不穩(wěn)定型堤前海床；將1.4＜Isi≤1.6的點(diǎn)連線,組成強(qiáng)不穩(wěn)定型堤前海床；將1.6＜Isi的點(diǎn)連線,歸為極強(qiáng)不穩(wěn)定型堤前海床,評(píng)估結(jié)果如圖5所示。

圖5 1992—2015年堤前海床不穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果Fig.5 Instability assess ment of the seabed in front of the dike during 1992-2015

1992—2015 年隨著近岸海床的持續(xù)侵蝕,等深線不斷向岸移動(dòng),堤前海床不穩(wěn)定性逐漸加劇(圖5)。1992年堤前海床主要為弱穩(wěn)定性和一般不穩(wěn)定型,分別長(zhǎng)29.63和16.25 k m,共占整個(gè)工程防護(hù)海岸的91.05%(圖6),強(qiáng)不穩(wěn)定型堤前海床只出現(xiàn)在孤東南大堤中部向海凸出處,長(zhǎng)4.51 k m,占比8.95%。2000年弱不穩(wěn)定型堤前海床區(qū)域減少,而一般不穩(wěn)定型和強(qiáng)不穩(wěn)定型相應(yīng)增加,分別增加到20.38和15.69 k m,后者占比也從1992年的不足10%增加到31.14%。2007年海床不穩(wěn)定性繼續(xù)加強(qiáng),孤東南大堤和東營(yíng)港中部向海突出處2 m等深線侵蝕消失,堤前海床分別發(fā)展為極強(qiáng)不穩(wěn)定型和強(qiáng)不穩(wěn)定型；整個(gè)防護(hù)區(qū)強(qiáng)不穩(wěn)定型和極強(qiáng)不穩(wěn)定型堤前海床已經(jīng)增加到23.57 k m,占比46.78%,而弱不穩(wěn)定型海床減少到7.24 k m,僅占14.37%。2015年已不存在弱不穩(wěn)定型海床,整個(gè)防護(hù)區(qū)堤前海床以強(qiáng)不穩(wěn)定型和極強(qiáng)不穩(wěn)定型為主,分別長(zhǎng)17.59和24.84 k m,共占比84.20%,幾乎整個(gè)南大堤堤前都發(fā)展成極強(qiáng)不穩(wěn)定型海床；5 m等深線已經(jīng)接近東營(yíng)港海岸,其堤前海床也發(fā)展成強(qiáng)不穩(wěn)型和極強(qiáng)不穩(wěn)定型。由此可見(jiàn),受持續(xù)侵蝕的影響,工程防護(hù)區(qū)堤前海床的不穩(wěn)定性逐漸加劇,海堤和堤前海床迫切需要加強(qiáng)防護(hù)。

圖6 1992—2015年堤前海床不穩(wěn)定性各級(jí)所占比例Fig.6 Instability grade proportion of the seabed in front of the dike during 1992-2015

5 結(jié) 語(yǔ)

東營(yíng)港—孤東工程防護(hù)區(qū)近岸海床是黃河三角洲海岸侵蝕最強(qiáng)烈的區(qū)域,為更好地評(píng)估該區(qū)域的海床侵蝕不穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì),本文基于多次實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)和波浪資料,研究了黃河三角洲工程防護(hù)區(qū)海床侵蝕過(guò)程及穩(wěn)定性變化。得到主要結(jié)論如下:

1992—2000 年海床侵蝕主體在距岸5～8 k m區(qū)域內(nèi),堤前(距岸5 k m區(qū)域內(nèi))以淤積為主；2000—2007年海床侵蝕明顯,距岸10 k m區(qū)域內(nèi)都表現(xiàn)強(qiáng)烈的侵蝕；2007—2015年距岸8 k m區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)強(qiáng)烈侵蝕,且堤前海床較2000—2007年時(shí)段侵蝕量增大,海床侵蝕向岸加劇。工程防護(hù)區(qū)海床侵蝕發(fā)展過(guò)程也影響著黃河水下三角洲整體的地貌格局,孤東南大堤外海出現(xiàn)了“近岸區(qū)深,遠(yuǎn)岸區(qū)淺”的反剖面形態(tài)。隨著工程防護(hù)區(qū)近岸持續(xù)侵蝕,等深線不斷向岸移動(dòng),堤前海床不穩(wěn)定性逐漸加劇,2015年84.20%的堤前海床處于強(qiáng)或極強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)。

海堤和堤前海床迫切需要加強(qiáng)防護(hù),建議對(duì)已破壞的海堤要及時(shí)進(jìn)行維護(hù),并定期進(jìn)行海堤狀況及海床地形監(jiān)測(cè),開(kāi)展海堤破壞與海床侵蝕的機(jī)理研究,提出科學(xué)治理海岸侵蝕的應(yīng)對(duì)策略。